大容量SSD技术要求及评价指标
适用范围
本文主要研究大容量SSD的典型应用场景，提出大容量SSD面临的主要技术问题以及可能的解决方案，从而明确大容量SSD的技术要求，以及相对于HDD的评价指标。本文适用于对大容量SSD进行设计、生产、交付验收和评估。
术语、定义和缩略语
- 大容量SSD：存储容量高于主流商用HDD容量，通常指单盘容量≥30TB，聚焦于企业级/数据中心应用的固态盘。
- 缩略语：未在文中列出，需根据实际情况补充。
大容量SSD需求及应用场景
需求产生的背景
- 数据量快速增长，数据中心存储需求旺盛，物理空间增长速度远不及数据增长速度。
- AI技术发展模糊数据分层边界，传统“热-温-冷”三级架构进化为“热-温”双层模型，需要高性能大容量存储支撑。
- 介质容量密度与存储数据量的增长仍存在较大差距，需要介质应用创新。
应用场景
- AI应用：
- AI训练和推理场景需要大容量、高性能SSD。
- 主要适用于AI推理场景、视频存储、冷数据归档等场景。
- 核心需求：最大化存储密度（TB/单位空间）、优化成本（$/TB）和保证顺序读写带宽。
- 替代HDD：
- 对象存储、大数据采集、企业办公文件共享等场景。
- 在读密集型业务以及性能要求不高但成本敏感的业务场景中，可以替代HDD。
- 大容量SSD面临的挑战：
- 底层介质开发、硬件整合、介质特性优化。
- 国内客户对SSD的接受度较低，主要因为成本高于HDD。
大容量SSD技术痛点
高密硬件设计
- 当前EDSFF规范定义的SSD物理形态和接口限制了能布局的NANDFlash颗粒数量。
- 新物理形态需满足：支持更大单盘容量、更高接口速率、更高整盘功耗和更优的散热设计。
可靠性
- 大容量SSD故障后爆炸半径变大，重构数据量增多，易造成漫长的数据重构期和性能下降。
- 业界通过移除盘内高风险部件、精准识别DDR失效区域、盘内RAID、RAID2.0+、RAIDTP和缩列重构等技术减少重构时间。
寿命
- SSD使用寿命与盘上全部颗粒的总擦写次数成正比，与实际应用中写入的数据量成反比。
- 解决方案：减少写放大（FDP、ZNS、多流技术）、编码纠错技术、数据缩减算法（在线重删、系统层压缩算法）。
功耗
- 客户对能效提出了具体要求，追求更高密度、更低能耗。
- 通过提升单盘容量、芯片工艺优化、低功耗设计和高效的电源管理技术降低功耗。
接口速率
- 随着SSD容量增加，数据传输的速率要求也随之增加，接口标准和协议方面不断演进。
- SSD前端设计需要兼容新的接口速率标准，同时保证向下兼容和不同平台间的兼容性。
性能
- QLC颗粒存在写入速度相对较慢、写入耐久性低的弱点。
- 解决方案：优化闪存转换层（FTL）、动态多模技术、冷热数据自动识别、IO聚合调整。
大容量SSD要求及评价指标
外观及物理尺寸要求
- 应遵守主流外形规格（FormFactor）的标准尺寸，确保能装入目标设备。
- 标准尺寸包括但不限于U.2、E1、E3、E2、Palm等物理尺寸规范或定制尺寸。
容量
- 单盘容量应在30.72TB及以上，宜支持30.72TB、61.44TB、122TB、245TB等规格。
- 容量密度应达到360TB/U。
功耗
- 动态读写工作功耗：应支持多档功耗可控，宜至少支持21W、25W、40W。
- 静态工作功耗：宜不超过6W。
- 还应具备峰值功耗管理、动态调频调压、节能协议支持等能力。
能效
- 顺序读能效宜大于350MB/W，顺序写能效宜大于60MB/W。
性能
- 顺序读写带宽应达到HDD的5倍以上，宜支持顺序读带宽5000MB/s、顺序写带宽1000MB/s。
- 随机读写IOPS宜达到HDD的100倍以上，宜支持随机读IOPS1000K（基于4KBIO）、随机写IOPS25K（基于16KBIO）。
- 时延应小于HDD的十分之一，宜支持读时延低于300us（基于4KBIO）、写时延低于50us（基于16KBIO）。
- 单位容量性能：宜高于HDD的每TB带宽。
寿命
- 应提供SSD寿命监控技术，并在系统中显示每一块SSD的磨损度及预估剩余寿命。
- 顺序写入每TB容量宜支持1PB写入量，随机写入每TB容量宜支持250TB写入量。
可靠性要求
- 可纠错误码率UBER≤10-17；平均无故障时间MTBF≥200万小时；支持掉电保护、数据一致性校验、高温保护、数据保持时效。
状态监控及预测
- 应支持SSD失效预测，监控并根据算法进行失效预测和告警。
- 监控信息包括：温度、链路误码统计、链路闪断统计、链路不可修复错误UNC计数、可用备用空间占比、NAND寿命消耗百分比、电容监控PLPhealthStatus、E2E错误检测计数、IO超时次数。
安全要求
- 应支持数据加密，宜支持硬件加密；应支持数据销毁功能，宜支持物理块擦除、覆盖写；应支持固件完整性保护；应支持访问控制，宜支持细粒度的访问控制机制。
